高周波対応低ロス圧粉磁心材料の開発

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れんまかやぬま
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自動車高周波対応低ロス圧粉磁心材料の開発伊志嶺朝之 * 渡辺麻子上野友之前田徹徳岡輝和 Development of Low Iron-Loss Soft Magnetic Powder Core for High Frequency Application by Tomoyuki Ishimine, Asako Watanabe, Tomoyuki Ueno, Toru Maeda

1 自動車高周波対応低ロス圧粉磁心材料の開発伊志嶺朝之 * 渡辺麻子上野友之前田徹徳岡輝和 Development of Low Iron-Loss Soft Magnetic Powder Core for High Frequency Application by Tomoyuki Ishimine, Asako Watanabe, Tomoyuki Ueno, Toru Maeda and Terukazu Tokuoka Recently, there has been a growing trend toward a low carbon society. In the field of energy, development of clean power generation systems, such as solar and wind generators, have been promoted. Electric vehicles are also replacing petrol vehicles in the automotive industry, and energy-saving electrical appliances are expected more than ever. Due to this trend, small and powerful power-supply devices with better conversion efficiency are increasingly demanded, and accordingly, require high performance inductors. Thus far, the authors have engaged in the development of powder magnetic cores, which are made by compacting soft magnetic powders coated with an insulating film, for use in motors and solenoid valves. In this study, the technology accumulated in the development of these cores has been successfully applied to that of an inductor core. The developed inductor core shows superior properties to ferrite and dust cores which are commonly used for inductors. In this paper, the advantageous properties of the developed core and the result of application to the inductor are reported. Keywords: soft magnetic material, inductor, reactor, choke coil, converter, inverter, eco-friendly vehicle. 緒言近年低炭素社会の実現へ向けエネルギー分野では太陽光発電や風力発電を中心としたクリーン電力へのシフトが進んでいる自動車分野では化石燃料による内燃機関から電気駆動システムへの移行が進んでおりまた家電分野においても消費電力低減の動きが活発であるこれらのトレンドの中で重要な役割を果たすのが蓄電技術エネルギー回生技術電圧制御技術であり所要の電力に効率よく変換する電源デバイスが求められている近年では変換効率および部品のサイズ低減の観点からスイッチング電源が主流となっているその中で変圧回路や整流回路に用いられているチョークコイルやトランスコイルパワーインダクタ及びリアクトルと呼ばれる鉄心と巻線からなるコイル部品が電源デバイスの性能を大きく左右する発電所蓄電池から電子機器への一方通行であった従来のエネルギーシステムは今後消費機器で発生する余剰エネルギーの回生も含めた双方向のシステムが主流となるこれに向けて電源デバイスや電源用コイルにも変圧 / 整流機能の複雑多様化や大容量電力への対応省スペース / コンパクト化などの性能向上が求められている筆者らはこれまでにコイル部品の鉄心に用いられる軟磁性材料として金属磁性粉末を加圧成形して得られる圧粉磁心材料の開発を行ってきた () () 電源デバイスにおける上述の課題に対しこれまで培った技術を基礎として材料特性を対象周波数帯域である数 khz 帯へ適用すべく改善を検討した結果充填密度という特徴を維持したまま周波応答性を躍的に改善する事に成功し本用途で従来用いられてきたフェライトや汎用ダストコアに比べて優れた特性を有する周波対応低ロス圧粉磁心材料の開発に成功した () (5) 本報では開発材の諸特性とこれを用いた電源コイル部品への応用例について報告する. 開発ターゲットに向けた現状技術と課題電源デバイスのコンパクト化や大電力処理の観点においては電源用コイルに用いられるコア材料には飽和磁束密度がく電気 - 磁気エネルギー変換効率がいことが求められる表に周波用軟磁性コアに用いられる代表的な軟磁性材料と電源特性得失を一覧表で示す電源用の鉄心として従来汎用的に用いられている軟磁性材料としてはフェライトや汎用ダストコアがあるフェライトは動作時に鉄心で発生する損失 ( 鉄損 ) が低く電源効率は優れるが飽和磁束密度が低いために図に示すように大容量電源として設計した場合製品サイズが大きくなり巻線として使用する銅の使用量も増大する課題がある一方汎用ダストコアは圧粉磁心材料と同じく金属磁性粉末を圧縮成形して得られフェライトに比べて飽和磁束密度に優れ良好な大電流処理能力 ( 直流重畳特性 ) を有する年月 S E Iテクニカルレビュー第 7 8 号 ( )

2 表材料高周波用電源コイルに用いられる軟磁性材と電源特性構造模式図軟磁性材における支配因子フェライト ( スピネル型 ) 汎用ダスト (Fe-Si-Al, Fe-Si-B) アモルファス箔 (Fe-Si-B) 従来焼結軟磁性材 ( 純鉄 Si).5..5 ことから製品の小型化が可能だがフェライトに比べて鉄損が大きいため発熱が大きく温度上昇の問題や電源効率が低いなどの課題を有するまた上記以外にもい磁束密度と変換効率を実現するアモルファス箔も存在するが圧延法である点と積層構造をとっているため複雑形状のコアを実現し難い点や製造コストが粉末冶金法に比べて著しくい点電気抵抗が低く周波域では変換効率が著しく低下するなどの問題があり適用用途が限られているこれらから既存の軟磁性材料にはいずれも今後求められる電源デバイスの小型 / 大電力化の実現に向けて課題を有しているのが現状であり優れた特性を有する新しい軟磁性材料が望まれている磁性体電源含有率サイズ電源容量電源効率. 高周波対応低ロス圧粉磁心材料の諸特性 vol % 磁束密度磁束密度充填密度充填密度鉄損電気抵抗複雑形状複雑成形性 > > > の順に各項目に対しメリットがあることを示す開発アプローチおよび実験方法筆者らはこれまでモータやアクチュエーターといった比較的低周波帯図代表的軟磁性材料の用途と性能領域および開発目標域 (~ 数 khz) で動作するデバイスに対して極めて軟磁気特性に優れた圧粉磁心材料を開発しこれらの開発の中で圧粉磁心材料の飽和磁束密度と損失特性を大幅に向上させる技術を培ってきたしかしながらスイッチング電源用の鉄心は駆動周波数が数 ~ 数 khz といため鉄損が周波域で極めて大きいことから汎用ダストコア以上に発熱と電源効率が問題となるそこで従来の圧粉磁心材料に対して数 khz の周波域での使用動作に対して最適化することにより汎用ダストコアやフェライトを超える新しい軟磁性材料の開発を目指した図に圧粉磁心材料の鉄損に及ぼす支配因子についてまとめた () 鉄損はヒステリシス損失(Wh) と渦電流損失 (We) の和からなるコア材料内の磁界の方向の変化に必要な外部エネルギーである Wh の低減には低保磁力化が必要であり材料内部の不純物量の低減や磁気異方性や磁歪定数の小さな磁性合金の使用などが有効であるが特に圧粉磁心材においては粉末成形時に生じる歪みの熱処理による除去も重要な技術となる一方 We はコア材料内の磁界の変化に伴う誘導起電力で発生する渦電流によるジュール熱であり We の抑制には材料の電気抵抗の向上が必要であるこれに対しても電気抵抗の大きな磁性合金の使用などが有効であり特に圧粉磁心材においては粉末粒子間の電気的絶縁処理や粉末粒子径の微細化による渦電流発生領域の細分化などが重要な技術となるまた Wh は周波数の乗に比例するのに対し We は乗に比例することから本開発においては周波領域で顕著になる We の抑制が重要であるこれまで筆者らは低損失飽和磁束密度を示す圧粉磁心材料を実現すべく耐熱絶縁皮膜処理による温焼鈍技術電気抵抗飽和磁束密度を両立する薄肉均一被覆処理技術を開発してきた本報ではさらに粉末粒子設計技術軟磁気特性に優れる磁性合金粉末の採用および組成最適化技術を新たに開発し適用 B Hc H Fe Fe Fe Fe 図圧粉磁心材料の鉄損に及ぼす支配因子 ( ) 高周波対応低ロス圧粉磁心材料の開発

3 検討を行ったすなわち従来用いてきた変形性に富む純鉄粉末を軟磁気特性に優れる合金粉末に置き換えるためにもっとも大きな課題である硬質粉末の密度成形と絶縁抵抗の維持を両立する技術開発がポイントとなる軟磁気合金粉末として低損失特性に優れるセンダスト合金粉末に対し新たに開発した絶縁被膜処理を行った後成形用潤滑剤を混合し一軸加圧成形法にて 98MPa で外径 mm 内径 mm さ 5mm のリング形状に成形した続いて窒素雰囲気中で熱処理を行うことにより成形歪みを除去した後磁気特性の測定を行った開発材の諸特性表に開発材の諸特性を図に開発材の鉄損の周波数依存性を従来材である汎用ダストコアおよびフェライトとの比較で示す汎用ダストコアとして開発材と同じく Fe-Si-Al 系合金粉末を用いた市販のダストコアをフェライトには Mn-Zn 系フェライトを比較材として選択した鉄損の周波数依存性から下記の式 () を用いてヒステリシス損失係数 Kh と渦電流損失係数 Ke を算出した汎用ダストコアと比較してみると開発材はヒステリシス損失係数渦電流損失係数ともに低く抑えられていることが分かるその結果電源デバイスへの適用に向けた対象周波数である khz 付近では鉄損として汎用ダストコアに対して半減以下の損失低減が可能であることが分かるまた飽和磁束密度に関しても汎用ダストコアに対して % 以上い値を示している WB/f = Kh f + Ke f... ( 式 ) WB/f は磁束密度 B 周波数 f で動作させた時に鉄損を示す一方フェライトと比較した場合飽和磁束密度は.7 倍の値を示しており電源デバイスのコンパクト化や大電流処理化へのメリットが期待できる鉄損に関しては依然としてフェライトに比べて劣っているが電源コイルとしてどの程度の差が生じるかについては後述する図に開発材の透磁率の周波数依存性を示す開発材は khz までフラットな透磁率を示しており電源用コイルとして優れた特性であることが分かる材質表開発材の諸特性単位開発材ダストコアフェライト Fe-Si-Al 系合金粉末 Fe-Si-Al 系合金粉末 Mn-Zn 系フェライト * 飽和磁束密度 Tesla ** 鉄損 kwm *** ヒステリシス損失係数 kwsm *** 渦電流損失係数 kws m **** 透磁率 56 5 * 室温での測定結果 ** 磁束密度.T 周波数 khz 温度での測定値 *** k khz における鉄損の周波数依存性より算出 **** 鉄損測定時の透磁率 8 6. 図透磁率の周波数依存性. 開発材の電源コイルへの応用開発材を用いた電源コイルの設計と試作開発材を用いて電源コイルとしての性能を調べるためにハイブリッド自動車などの次世代型環境対応車に搭載される DC - DC コンバータを想定し市販の車載用降圧型 DC 図鉄損の周波数依存性表チョークコイルコアの設計条件入力電圧 Vin V 周波数 f khz 出力電圧 Vout V インダクタンス Ls.6µH 出力電流 Idc A コイル 8 mm 平角線年月 S E Iテクニカルレビュー第 7 8 号 ( )

- DC コンバータを用い同等の動作を再現できる評価系を構築した電源コイルの設計は表に示す条件仕様に基づいて行ったコア形状の設計は以下に示す式 ()~() に基づいてリングサンプルの直流磁化特性からインダクタンス Ls が目的の値となるように形状を決定した比較材は用意したコンバータに予め搭載されていたフェライトコアとした巻線はフェライトコアと同じ形状の平角線とした

N Rm LI B max max = = NS lc Rm = + µ r µ S NI max RmS lg µ S N I S lc lg µ r µ 設計は以下に述べるケースを行った一つ目は同じ巻線条件のもとでより省スペース化特に実装面積の低減を主体としたケース ( 以下 Case) を検討したつ目はフェライト材よりも巻線数を低減することを主体としたケース ( 以下

上述の通りフェライト材に対して飽和磁束密度特性に優れるため Case Case ともに形状的なメリットを見出すことが可能である Case では同じ巻線数 5 表チョークコイルコアの設計結果コア材質フェライト開発材開発材 Case Case 部品外観実装面積 mm 76mm ( 5%) mm 部品高さ 8mm 5mm ( %) mm ( 5%) 重量 7g 59g ( 6%) 75g

4 - DC コンバータを用い同等の動作を再現できる評価系を構築した電源コイルの設計は表に示す条件仕様に基づいて行ったコア形状の設計は以下に示す式 ()~() に基づいてリングサンプルの直流磁化特性からインダクタンス Ls が目的の値となるように形状を決定した比較材は用意したコンバータに予め搭載されていたフェライトコアとした巻線はフェライトコアと同じ形状の平角線としたターンにて実装面積やコア体積全体重量を大きく低減することができている更に Case では開発材を用いることでターンへ巻線数を低減することができておりそれにより部品の低背化や軽量化が図れている上記の設計結果をもとに実際に電源コイルの作製を行った試作したコア材およびチョークコイル部品の外観を写真に示す開発材のコアは 5 tの素材より所定の形状に切削加工する方法で作製した Ls = N Rm LI B max max = = NS lc Rm = + µ r µ S NI max RmS lg µ S N I S lc lg µ r µ 設計は以下に述べるケースを行った一つ目は同じ巻線条件のもとでより省スペース化特に実装面積の低減を主体としたケース ( 以下 Case) を検討したつ目はフェライト材よりも巻線数を低減することを主体としたケース ( 以下 Case) を検討した巻線は部品コストや製品重量に占める割合が大きいので巻線数や使用量の低減のニーズは大きいしかしながら飽和磁束密度の低いフェライトコアでは巻線数を低減すると直流重畳特性が低下し所定の電流において変換処理することができなくなるため巻線数を低減することは難しい表に開発材を用いた電源コイルの設計結果を示す開発材は上述の通りフェライト材に対して飽和磁束密度特性に優れるため Case Case ともに形状的なメリットを見出すことが可能である Case では同じ巻線数 5 表チョークコイルコアの設計結果コア材質フェライト開発材開発材 Case Case 部品外観実装面積 mm 76mm ( 5%) mm 部品高さ 8mm 5mm ( %) mm ( 5%) 重量 7g 59g ( 6%) 75g (+7%) コア体積 cm cm ( %) cm ( 7%) 巻数 5 ターン 5 ターンターンコイル重量 7g 66g ( 7%) 59g ( 7%) 全体重量 g 5g ( %) g ( 5%) ( ) 内の数字はフェライトを基準とした際の変化率を示す写真試作コア材 ( 左 ) とチョークコイル部品 ( 右 ) 試作電源コイルの評価図 5 に試作コイルのインダクタンスの直流重畳特性を示す開発材を用いたコイルの特性は Case Case ともにほぼ同じ特性を示している設計条件 (Ls.6µH@IdcA) に対して.µH とおおよそ設計値に近い値が得られた設計値との若のずれに対しては設計に用いたリングサンプル ( 外径 mm 内径 mm さ 5mm) に対して実際作製した加工用素材 ( 5 t) では素材内部の密度分布が大きく直流磁化特性が僅かに変化したことが原因として考えられるこの点については設計に用いる直流磁化特性に図 5 試作チョークコイルの直流重畳特性 ( ) 高周波対応低ロス圧粉磁心材料の開発

5 今回の結果を反映させることで精度をめていくことが期待できる一方フェライトコアは仕様条件である Aを超える電流領域から急激にインダクタンスが低下しているのに対して開発材は電流領域においても比較的いインダクタンスを示していることが分かるこのフェライトコアの電流域でのインダクタンスの急激な低下は磁気飽和により透磁率が低下することにより生じ飽和磁束密度が低いことが原因であるこのことから飽和磁束密度に優れる開発材を用いることでフェライトコアに対して部品の小型化や巻線数の低減を図った上で更に電流領域での使用が可能つまり大電力処理に対応できるということが分かる図 6 に直流電流 A におけるインダクタンスの温度依 % 8% 6% % % % 図 8 飽和磁束密度の温度依存性図 6 Idc = A におけるインダクタンスの温度依存性図 7 直流重畳特性の温度依存性 ( 上 : フェライト / 下 : 開発材 ) 存性の測定結果を示す開発材は室温から 5 まで安定したインダクタンスを示すのに対してフェライトコアは 9 以上の温度域で急激にインダクタンスが低下する図 7 に開発材とフェライトの直流重畳特性の温度依存性をそれぞれ示す開発材は 5 まで一定の依存性を示すがフェライトでは温になるにつれて磁気飽和によりインダクタンスが低下する電流域が低電流側にシフトしておりこれによりインダクタンス値は上述のように温度上昇に伴って低下することになる開発材とフェライトの間で見られるこの直流重畳特性の温度依存性の差異の原因は飽和磁束密度の温度依存性と関係があることは明らかである図 8 に示すようにフェライトでは飽和磁束密度は 5 で室温に対して半減するのに対して開発材では % 程度の低下に留まっているこれはキュリー温度がフェライトは前後であるのに対して開発材は約 5 と極めていことが主因として挙げられる試作電源コイルのコンバータ実装評価作製した電源コイルを上述の市販の車載用降圧型 DC - DC コンバータへ実装し表にて示した電源仕様に動作させコアおよびコイルの温度上昇を評価した尚電源デバイスには予め水冷ジャケットによる冷却機構が備わっていたのでこれを用いた ( 水冷温度は 6 ) 電源デバイスでは電源コイル部品の発熱により電源コイル自体だけでなくその周辺部品への影響も無視できないためデバイス自体の信頼性向上には電源コイルの温度上昇の低減は重要な課題である図 9 に試作電源コイルのコアの表面温度の雰囲気温度依存性を示す開発材は Case Case の間で部品形状の違いが主因と思われる若の差異はあるがフェライトコアとほぼ同等の動作温度を示しているこのことから材料特性としてフェライトに対して劣っている鉄損特性の差が電源デバイスでの動作状態では温度上昇として大きな差を生じないことが分かった図に示すように開発材はフェライトに対して熱伝導性に優れておりこの点を年月 S E Iテクニカルレビュー第 7 8 号 ( 5 )

6 図 9 コア温度の動作雰囲気温度依存性といずれの材料もコイル温度の方がい値を示している電源デバイスにおいては動作仕様条件や電源回路方式などにも依存するが今回のようにコイル温度が問題となるケースは少なくないさらに結果を見ると開発材 Case とフェライトコアはほぼ同じ温度上昇を示しているのに対して開発材 Case は以上低い温度を示しているコイルの発熱はコイルを流れる直流電流によるジュール発熱が大部分であり上記の結果は開発材 Case は巻線数を低減しているためコイルの直流抵抗が低下したことが主要因であると考えられるこのことからフェライトに対して飽和磁束密度に優れる開発材を用いることでコイルの巻線数の低減設計によりコイルの温度上昇抑制に効果があると言える図開発材の熱伝導率図コイル温度の動作雰囲気温度依存性主因として上述の結果が得られたと推測される図に試作電源コイルの巻線コイル表面における温度の雰囲気温度依存性を示すコア温度の結果と比較する 5. 結言本研究では低炭素社会の実現へ向けこれまで当社が培ってきた性能圧粉磁心材料の材料技術を基礎として近年ニーズがまっている電源コイル部品へ適用が可能な新しい軟磁性材料の開発に取り組んだ以下に総括する () 電源デバイスが動作する khz 帯への材料特性の最適化を検討した結果従来の汎用ダストコアに対して鉄損が / 以下飽和磁束密度もフェライトに対して.7 倍以上と優れた特性を有する材料を開発した () 車載用の DC - DC コンバーターへの適用を視野に電源コイル部品を設計検討した結果開発材を用いることで既存のフェライトコアに対して部品の小型軽量化や巻線使用量の低減が可能であることを確認した () 電源コイルを作製し評価を行い開発材を用いることでフェライトにくらべ小型化しつつ更に大電流域での変換処理が可能なことやフェライトでは対応できない 5 まで安定して動作可能であることを確認した () 作製した電源コイルを DC - DC コンバータへ実装し動作中の発熱温度上昇について評価を行った結果コアはフェライトと同等の温度上昇であり巻数の低減設計によりコイル温度上昇を抑えられることを確認した以上の結果より開発材は大電力処理や省スペース / コンパクト化といった電源デバイスのニーズに対して従来材を超える優れたポテンシャルを有すると言え今後実用化を目指した開発を進めていくなお本研究は独立行政法人新エネルギー産業技術総合開発機構 (NEDO) の H 年度イノベーション実用化助成事業の助成を受けて実施した ( 6 ) 高周波対応低ロス圧粉磁心材料の開発

7 参考文献 () 島田ら SEI テクニカルレビュー第 6 号 5() () 前田ら SEI テクニカルレビュー第 66 号 (5) () 渡辺ら粉体粉末冶金協会平成年度春季大会概要集 6() () 伊志嶺ら粉体粉末冶金協会平成年度春季大会概要集 7() (5) 伊志嶺ら粉体粉末冶金協会平成年度秋季大会概要集 8() 執筆者伊志嶺朝之 * : エレクトロニクス材料研究所アドバンストマテリアル研究部焼結部品および圧粉磁心材料の開発に従事渡辺麻子 : エレクトロニクス材料研究所アドバンストマテリアル研究部上野友之 : エレクトロニクス材料研究所アドバンストマテリアル研究部主査前田徹 : エレクトロニクス材料研究所アドバンストマテリアル研究部主査 ( 工学博士 ) 徳岡輝和 : エレクトロニクス材料研究所アドバンストマテリアル研究部主査 * 主執筆者年月 S E Iテクニカルレビュー第 7 8 号 ( 7 )

NTN TECHNICAL REVIEW No.8(212) 従来の磁性材料フェライトおよびFe-6.5Siに比べ, 大電流を流してもインダクタンス変化率は小さい. フェライトに比べ高周波領域でのインダクタンスの変化率は小さく, 特性が安定している. 以上から,AS1は大電流かつ安定した高周波特性が

NTN TECHNICAL REVIEW No.8(212) [ 製品紹介 ] 磁性材料商品の紹介 Introduction of Magnetic Material Products 原野拓治 * Takuji HARANO 宮崎真二 * Shinji MIYAZAKI 勝浦肇 * Hajime KATSUURA NTN のグループ会社である日本科学冶金株式会社は, 高飽和磁束密度, 低鉄損で周波数特性が良好なアモルファス磁性材料を中心に,